探討整合式電源磁性元件DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案 - 全文

　　許多通訊設(shè)備的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)都有固定的基座大小及供電量。以精簡尺寸維持高效率的負(fù)載點（POL）電源解決方案，有助于提升介面卡密度（card density），節(jié)省空間并達(dá)到產(chǎn)品差異化的效果。設(shè)計人員必須在開發(fā)階段迅速解決技術(shù)問題，簡單的電源解決方案可減輕負(fù)擔(dān)，讓工程人員專注于核心競爭力發(fā)展。整合式磁性套件的單一封裝DC/DC轉(zhuǎn)換器，可解決許多難題。本文將探討整合式電源解決方案，相較于離散解決方案的優(yōu)缺點，并簡要說明外部元件、散熱、解決方案尺寸、雜訊產(chǎn)生及電路板黏著的影響。

　　整合式電源解決方案

　　磁性元件設(shè)計及製造技術(shù)的進(jìn)步，將尺寸更小且電流更高的電感與DC/DC轉(zhuǎn)換器積體電路放在同一個基板上。整合式電源解決方案（integrated power solution; IPS）採用DC/DC轉(zhuǎn)換器適用的電感，封裝經(jīng)過焊接，并將IC、電感及被動元件附加于客製金屬引線框架。環(huán)氧化物（epoxy）澆鑄在整個封裝上，將元件完全包覆，再由大量自動測試設(shè)備（automated testing equipment ; ATE）檢查完全封裝的IPS。

　　圖1顯示德州儀器4.5V至14.5V輸入6A整合式電源解決方案TPS84620的背面。完整的負(fù)載點電源設(shè)計可直接裝載于電路板，替代傳統(tǒng)的開放式電源POL DC/DC模組。許多半導(dǎo)體製造商目前運用封裝、ATE、引線框架及DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計專業(yè)知識來開發(fā)POL IPS，以供電給DSP、FPGA、ASIC及無線基礎(chǔ)架構(gòu)適合的高效能處理器。IPS的外觀與積體電路相同，并且以相同的方式裝載于電路板。

　　整合式電源解決方案的優(yōu)點

　　整合式電源解決方案使用簡便，需要的外部元件比離散解決方案少。完全不需要與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器搭配的小型高電流電感。選擇電源解決方案的電感時，就決定了輸入電壓、輸出電壓、切換頻率及輸出電流的限度。大多數(shù)整合式電源解決方案僅需要輸入／輸出電容及電壓設(shè)定電阻，這些電容值均依據(jù)所需的輸入電壓、輸出電壓、暫態(tài)效能及漣波需求列在資料表中。補償元件整合于封裝內(nèi)之后，補償迴路在不同溫度及各種負(fù)載條件下的穩(wěn)定需求隨之降低。不再需要設(shè)計或在電路板裝載補償迴路，所需的設(shè)計時間也因此縮短。

　　整合式電源解決方案採用輕薄的 QFN 封裝，可達(dá)到極高的功率密度。開發(fā)類似尺寸的離散解決方案需要大量的專業(yè)知識，而數(shù)位設(shè)計人員不需要電源管理專業(yè)知識，即可運用資深電源設(shè)計人員所設(shè)計的尺寸及效能。

　　權(quán)衡

　　如等式 1 所示，切換頻率愈高，磁性元件愈小。切換頻率 （Fs） 增加時，電感 （L） 值將減少。雖然快速切換頻率有助于將小型電感封裝于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，但也會限制可達(dá)到的負(fù)載週期 （D），此週期即是輸出電壓除以輸入電壓的比例。

　　等式1：L ≥Vo （1-D） / （Δi x Fs）

　　以 1.2V 驅(qū)動低電壓處理器為例，5V或12V輸入是可考量的輸入電壓。整合式電源解決方案能以較高輸入電壓運作，但由于DC/DC轉(zhuǎn)換器有最短導(dǎo)通時間的限制，因此僅限于某些輸出電壓。對于28V以上的輸入電壓，3.3V或5V的輸出電壓較為切合實際，切換頻率必須夠快，才能符合較少量電感的需求。在資料表中，IPS應(yīng)指定最短導(dǎo)通時間，或說明指定輸入電壓可達(dá)到的最低輸出電壓。

　　小型解決方案區(qū)域或高度并非關(guān)鍵因素時，電源解決方案內(nèi)部的電感可能達(dá)到比離散式設(shè)計中選用的電感更高的DC阻抗。如果不需要小型解決方案尺寸，設(shè)計人員能夠以極低 DC 阻抗的離散式電感進(jìn)行設(shè)計，有助于達(dá)到效率目標(biāo)，端視應(yīng)用需求及設(shè)計人員的技能而定。

　　成本

　　在網(wǎng)路上瀏覽時，整合式電源解決方案的每千顆零售單價乍看之下似乎比離散式DC/DC轉(zhuǎn)換器及電感還要高。不過，終端客戶看不到的人力、外部元件庫存、生產(chǎn)製造及PCB裝載等其他成本，都是由整合式電源解決方案製造商自行吸收。電源解決方案的價格有機(jī)會比離散式解決方案更具競爭力，端視終端設(shè)備的產(chǎn)量及上市時程而定。

　　重要考量

　　由于電感及DC/DC轉(zhuǎn)換器在封裝中相鄰，而且傳導(dǎo)極大的電量，必須考量整合式電源解決方案的功耗特性。近來封裝及引線框架技術(shù)的進(jìn)展，讓極小型的封裝達(dá)到絕佳的散熱效果。資料表會說明自然對流（無氣流）下從接點到環(huán)境的熱阻抗，以指示封裝內(nèi)部散熱的效能。如果從接點到環(huán)境的熱阻抗（Θja）是13°C/W，以90％效率達(dá)到20W的整合式解決方案，不考慮電容的功耗的狀況下，將散失大約2W，并且指接點溫度達(dá)到26°C。封裝熱阻抗降低有助于提升電源裝置的長期可靠度。電源解決方案底部的導(dǎo)熱墊片及金屬引線框架，將熱度傳導(dǎo)至電路板。只要電路板有適當(dāng)?shù)母层~，且以散熱通孔將電源層連接于內(nèi)部PCB層，即可達(dá)到良好的散熱效果。

　　無線通訊設(shè)備的設(shè)計人員十分關(guān)注雜訊產(chǎn)生的問題。由于整合式電源解決方案使用的電感以相當(dāng)快的速度切換，必須確保使用的電感是否加以屏蔽。許多電源解決方案製造商在資料表指出符合EN55022 B類輻射發(fā)射量的規(guī)範(fàn)。圖2顯示TPS84620以5V運作時的輻射發(fā)射量，并顯示天線呈水平及垂直方向的圖表數(shù)據(jù)。如果沒有這些資料，可向製造商索取輻射發(fā)射量資料，或查詢電感的規(guī)格。總而言之，購買電感之后，使用者有權(quán)利瞭解實際的數(shù)據(jù)資料。如果電源解決方案有同步接腳，可以使切換頻率與主時脈同步，如此即可消除多個切換穩(wěn)壓器，以不同頻率運作所產(chǎn)生的雜訊。

　　圖2　5V輸入、1.8V輸出、6A負(fù)載（EN55022類）的輻射發(fā)射量

　　由于這種整合技術(shù)相當(dāng)新穎，製造商會將品質(zhì)及環(huán)境資料放在產(chǎn)品資料夾或網(wǎng)站的文件中以供查閱，以免除外界疑慮。德州儀器的整合式電源解決方案，採用與電源半導(dǎo)體製程完全相同的品管程序及可靠度測試。

　　總結(jié)

　　POL電源採用5V或12V匯流排的一般無線通訊應(yīng)用，皆採用極為簡單而可靠的解決方案。通訊設(shè)備是差異極大的領(lǐng)域，設(shè)計人員需要與電源管理截然不同的專業(yè)知識。不需要選擇磁性元件的過程、不需要補償元件，而且小型外部元件數(shù)減少的設(shè)計較為有利。TPS84620的整合式電源解決方案可因應(yīng)這些問題，完全不影響效率、效能或功能集（feature set），讓電源設(shè)計人員能夠直接在電路板上建置相當(dāng)小型的解決方案。